不是UHPC(超高性能混凝土),而是UHDC(超高耐久性混凝土),一种你可能还不知道的新型结构材料

创业   科学   2024-07-10 09:24   湖南  

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混凝土是一种广泛应用于建筑工程中的结构材料,它具有成本低、施工方便、强度高等优点。然而,混凝土也存在一些缺点,如容易开裂、渗透、腐蚀等,这些缺点会影响混凝土的性能和耐久性,导致结构的损坏和维护成本的增加。为了克服这些问题,科学家们一直在研究和开发一些新型的混凝土材料,如超高性能混凝土(UHPFRC)、纺织增强混凝土(TRC)等,这些材料具有高强度、高韧性、高抗渗性、高抗腐蚀性等特点,可以显著提高混凝土的使用寿命,降低维护成本,减少资源消耗。
最近,欧盟地平线2020项目ReSHEALience在这方面取得了重大的突破,该项目开发了一种新的概念设计方法,用于面对具有挑战性的结构场景,包括极端恶劣的环境条件。该项目基于UHPFRC和TRC,并引入纳米添加剂以增强功能,开发并验证了一种超高耐久性混凝土(UHDC),在实验室和现场测试了其在机械和侵蚀场景下的性能。该方法将更高和更持久的性能、增强的结构功能和高价值的美学要求,结合在一个整体的生命周期思维框架中。该项目开发和验证的高韧性材料概念的特征——被称为UHDC——还包括通过其自愈能力来调节结构性能随时间的变化的可能性。得益于这种创新的结构工程概念设计方法,混凝土不再仅仅被视为提供被动保护的材料,其随时间的退化必须尽可能地延缓,而是成为主动塑造其性能的参与者,根据运行场景的要求调整其功能和美观。该项目的结果表明,可以使用高达70%更少的材料来达到相同或更高的结构和耐久性能,维护的频率在参考使用寿命期间可以减少五到十倍。这代表了混凝土建筑行业在使用先进水泥基材料方面的突破性创新,克服了目前的局面,即UHPCs往往只是通过其极高的抗压强度来推广,而其更高的耐久性仅仅被接受为一个额外的好处,但在设计、施工和维护方面几乎没有被量化为真正的利益。
那么,UHDC是如何实现这些优异的性能和功能的呢?UHDC是一种基于UHPFRC和TRC的混凝土材料,它的主要特点是:
  • 高强度:UHDC的抗压强度可以达到150-200 MPa,是普通混凝土的5-10倍,是UHPFRC的1.5-2倍。这是因为UHDC使用了高性能的水泥、砂、纤维和纳米添加剂,形成了致密的微观结构,有效地抵抗了裂缝的产生和扩展。
  • 高韧性:UHDC的韧性可以达到20-30 kJ/m2,是普通混凝土的20-30倍,是UHPFRC的2-3倍。这是因为UHDC使用了高强度的钢纤维和碳纤维,增加了混凝土的延性和吸能能力,有效地提高了混凝土的抗冲击和抗震性能。
  • 高抗渗性:UHDC的抗渗性可以达到10-12级,是普通混凝土的10-100倍,是UHPFRC的2-10倍。这是因为UHDC使用了低水胶比和高效的分散剂,减少了混凝土的孔隙率和连通性,有效地阻止了水分和气体的渗透和扩散。
  • 高抗腐蚀性:UHDC的抗腐蚀性可以达到X0-XC4级,是普通混凝土的2-4倍,是UHPFRC的1.5-2倍。这是因为UHDC使用了纳米氧化铝、氧化硅和氧化钛等,提高了混凝土的耐碱、耐酸、耐盐、耐氯离子、耐碳化等性能,有效地抵抗了化学和电化学的腐蚀。
  • 高功能性:UHDC的功能性可以达到多种效果,如自愈、自清洁、抗菌、光催化等。这是因为UHDC使用了纳米氧化钙、氧化镁和氧化锌等,增加了混凝土的水化能力和碱活性,有效地实现了裂缝的自动修复;使用了纳米氧化钛和氧化锌等,增加了混凝土的光催化能力和抗菌能力,有效地实现了表面的自清洁和杀菌;使用了纳米铁氧体和石墨烯等,增加了混凝土的导电能力和磁性能,有效地实现了传感和控制的功能。
UHDC的这些优异的性能和功能,使得它可以应用于各种具有挑战性的结构场景,如海洋工程、核电工程、桥梁工程、隧道工程等,为建筑工程师和水泥制品企业工人提供了一种创新的结构材料,可以提高结构的安全性和可靠性,降低结构的成本和环境影响,增加结构的美观性和适应性。UHDC是一种具有广阔发展前景和应用潜力的混凝土材料,值得我们进一步研究和推广。

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